高压永磁机构的理论研究与设计

论文摘要

永磁操动机构的零部件少、免维护、可靠性高，与真空断路器的特性配合良好。永磁机构已大量用于10-35KV的中压开关电器，但是与弹簧机构相比，市场占有量还很小，在高压领域是一片空白。高压永磁机构对激磁线圈的大电流要求，也引起了温升、控制等一系列问题，使永磁机构的成本难以降低甚至无法实现。另外，目前永磁机构的研究和开发过分依赖经验，缺少较全面的理论指导。论文的体系主要包括理论、设计、仿真和物理实验四大部分。充分运用机械、电磁的交叉理论，对机构特性进行理论分析，进而运用计算机辅助技术、虚拟仿真技术对机构进行设计、分析和改进，然后采用先进的高压开关测试控制系统对制作的物理样机进行运动特性和电气特性试验。论文的主要内容包括：首先从机械结构、永磁铁材料和布置、线圈布置、电源与控制技术、数学物理方法、计算机辅助技术和试验技术对国内外永磁机构的应用现状和技术现状进行了全面的阐述和分析。通过发展现状及前景表明，研究大开距、高电压、低电流的永磁机构具有重要的社会意义和巨大的经济价值。第二，对永磁机构的电磁场理论进行分析和研究，建立了不同永磁机构的数学模型，阐述了求解方法，并提出了分形有限元的新方法。第三，针对双稳态永磁机构，利用磁网络方法，建立等效磁路，提出基于空间磁通管的散磁导计算方法，分析了磁路对于保持力的影响。设计磁短路环装置，建立数学模型，经过仿真计算表明，可以大大减小双稳态永磁机构的分闸启动电流，提高分闸速度，特别适用于高电压、大开距的永磁机构。第四，针对高电压、长行程单稳态永磁机构的合闸问题，设计变气隙自锁式的新型单稳态永磁机构，分析单稳态永磁机构的磁路系统。通过计算机辅助手段进行联合仿真分析。最后针对新设计的单稳态永磁机构，制作出物理样机，并进行了充分的实验，表明这种机构原理可行，工作正常，可以大大增强永磁机构的合闸启动能力。但也指出，由于这是新型单稳态永磁机构的首次探索性、创新性研究，还需要对机构进行改进和设计配套的试验控制系统。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 序
• 1 绪论
• 1.1 永磁机构的发展现状
• 1.2 永磁机构的研究现状
• 1.2.1 机械结构
• 1.2.2 永磁体材料与布置
• 1.2.3 线圈布置
• 1.2.4 电源与控制技术
• 1.2.5 特性分析与数学方法
• 1.2.6 试验测试与计算机辅助技术
• 1.3 本论文的研究意义、目的和方法
• 1.4 本论文的主要工作
• 2 永磁机构电磁场理论及分析
• 2.1 永磁机构的电磁场方程
• 2.1.1 理论基础
• 2.1.2 坐标变换
• 2.1.3 圆形机构
• 2.1.4 方形机构
• 2.1.5 跑道形机构
• 2.1.6 永磁体等效方程
• 2.2 静态电磁场计算方法
• 2.2.1 解析方法
• 2.2.2 数值方法
• 2.3 动态数学模型
• 2.4 本章小结
• 3 双稳态永磁机构磁路分析
• 3.1 磁网络分析方法
• 3.1.1 等效磁路
• 3.1.2 磁导求解
• 3.1.3 磁路的计算步骤
• 3.2 磁路对保持力的影响分析
• 3.2.1 外磁路的影响
• 3.2.2 永磁体自身磁阻的影响
• 3.3 本章小结
• 4 双稳态永磁机构的磁短路环设计
• 4.1 引言
• 4.2 短路环的结构设计与原理分析
• 4.3 运动模型的建立
• 4.4 模型求解与结果分析
• 4.5 本章小结
• 5 单稳态永磁机构磁路系统设计
• 5.1 引言
• 5.2 单稳态永磁机构的磁路分析
• 5.3 永磁机构的机械功和吸引力分析
• 5.3.1 永磁机构的机械功
• 5.3.2 永磁机构的吸引力
• 5.4 永磁机构电磁力的数值计算
• 5.5 本章小结
• 6 单稳态永磁机构结构与动力学仿真
• 6.1 引言
• 6.2 机械系统设计
• 6.2.1 传动系统设计
• 6.2.2 闭锁系统设计
• 6.2.3 总体结构图及工作原理
• 6.3 机构的联合仿真
• 6.3.1 联合仿真技术简介
• 6.3.2 前处理
• 6.3.3 仿真与后处理
• 6.4 本章小结
• 7 单稳态永磁机构试验与结果分析
• 7.1 永磁机构控制原理
• 7.1.1 稳定的固合时间
• 7.1.2 精确的电相位角检测与实时控制
• 7.2 新型永磁机构的安装与调整
• 7.3 测试系统的安装与连接
• 7.3.1 传感器安装
• 7.3.2 测试平台构成
• 7.3.3 调试接线步骤
• 7.4 测试方法和结果分析
• 7.5 本章小结
• 8 结论
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集